(57)【要約】【課題】高効率なＬＥＤ光源を提供する。【解決手段】本発明は、導光板１０２とＬＥＤ１０１からなるＬＥＤ光源において、前記ＬＥＤ１０１からの光を出射する表面に、複数色の蛍光体層１０３、１０４が周期的に配置され、前記蛍光体層１０３、１０４は、前記ＬＥＤ１０１からの光によって励起され、波長変換された光を発するという構成により、高効率なＬＥＤ光源を提供することができる。【選択図】図１
2005353650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光板とＬＥＤからなるＬＥＤ光源において、
前記ＬＥＤからの光を出射する表面に、複数色の蛍光体層が周期的に配置され、
前記蛍光体層は、前記ＬＥＤからの光によって励起され、波長変換された光を発することを特徴とするＬＥＤ光源。
【請求項２】
前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤであり、
前記蛍光体層は青色光によって励起され、緑色と赤色を発光するものであり、
前記導光板の少なくとも一部に前記蛍光体層が形成されていない部分がある
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項３】
前記ＬＥＤは、紫外線ＬＥＤであり、
前記蛍光体層は紫外光によって励起され、青色と緑色と赤色を発するものである
ことを特徴とする請求項１から２に記載のＬＥＤ光源。
【請求項４】
前記蛍光体層は、各発光色の蛍光体層が導光板表面にライン状に配置されていることを特徴とする請求項１から３に記載のＬＥＤ光源。
【請求項５】
前記蛍光体層は、各発光色の蛍光体層が導光板表面にドット状に配置されていることを特徴とする請求項１から３に記載のＬＥＤ光源。
【請求項６】
前記ＬＥＤ光源は液晶パネルと組み合わされており、
前記蛍光体層の位置と液晶の各セルに対応した電極の位置が略一致していることを特徴とする請求項１から５に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記液晶表示装置は、各画素にカラーフィルタがないことを特徴とする請求項６記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率なＬＥＤ光源およびカラーフィルタ不要で低コストの液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の面状光源の例として、導光板のエッジ部分からＬＥＤ光を入射し、導光板の光出射面の裏側に蛍光体を配置するものがあった（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図７は、特許文献１に記載された従来のＬＥＤ光源および液晶表示装置を示すものである。図７において、青色ＬＥＤ１からの光は導光板２中を伝搬し、蛍光体散乱層３で波長変換され、蛍光体層とは反対側の導光板の面から出射される構成となっている。
【特許文献１】特許第２８６８０８５号公報（図２を参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図７の構成では、蛍光体層で波長変換された光は、導光板の反対側の面から出射されるため、少なくとも導光板を通して出射されるので光のロスが大きくなるという課題を有していた。
【０００５】
また、光出射面の均一性を向上させるために、光拡散板５を挿入する場合もあり、その場合は、光の利用効率がさらに低下するといった課題も有する。
【０００６】
また、液晶と組み合わせて液晶バックライトとして使用する場合、青色ＬＥＤ光を蛍光体で白色に変換したのち液晶内にあるＲＧＢの色フィルタで色分離するので、色フィルタでの光のロスが発生するといった課題も有する。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、光のロスを抑制した高効率なＬＥＤ光源を提供することにある。もしくは、液晶パネルと組み合わせた場合、通常、液晶内に設置されるカラーフィルタが不要な低コストの液晶表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来の課題を解決するため、本発明に係るＬＥＤ光源および液晶表示装置は、導光板とＬＥＤからなるＬＥＤ光源において、前記ＬＥＤからの光を出射する表面に、複数色の蛍光体層が周期的に配置され、前記蛍光体層は、前記ＬＥＤからの光によって励起され、波長変換された光を発する。
【０００９】
好適な実施形態において、前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤであり、前記蛍光体層は青色光によって励起され、緑色と赤色を発光するものであり、前記導光板の少なくとも一部に前記蛍光体層が形成されていない部分がある。
【００１０】
好適な実施形態において、前記ＬＥＤは、紫外線ＬＥＤであり、前記蛍光体層は紫外光によって励起され、青色と緑色と赤色を発するものである。
【００１１】
好適な実施形態において、前記蛍光体層は、各発光色の蛍光体層が導光板表面にライン状に配置されている。
【００１２】
好適な実施形態において、前記蛍光体層は、各発光色の蛍光体層が導光板表面にドット状に配置されている。
【００１３】
好適な実施形態において、前記ＬＥＤ光源は液晶パネルと組み合わされており、前記蛍光体層の位置と液晶の各セルに対応した電極の位置が略一致している。
【００１４】
好適な実施形態において、前記液晶表示装置は、各画素にカラーフィルタがない。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明は、導光板とＬＥＤからなるＬＥＤ光源において、前記ＬＥＤからの光を出射する表面に、複数色の蛍光体層が周期的に配置され、前記蛍光体層は、前記ＬＥＤからの光によって励起され、波長変換された光を発するという構成により、高効率なＬＥＤ光源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態におけるＬＥＤ光源の概略を示すものである。図１（ａ）において、青色ＬＥＤモジュール１０１は、導光板１０２のエッジ部に光学的に結合するように並んで設置されており、ＬＥＤからの青色光は導光板１０２に効率よく導入される。また、青色ＬＥＤモジュール１０１の背面には、ヒートシンク３０１とファン３０２が設置され、ＬＥＤモジュールからの発熱を放熱する構造となっている。
【００１８】
ここで、導光板１０２は透光性の材料からなり、例えば透明アクリル製である。
【００１９】
また、導光板１０２の裏面には密着して（図１中では、離れているが実際には密着している）反射板１０５が設置され、導光板１０２からの出射光を導光板内に戻している。
【００２０】
反射板１０５の導光板１０２をはさんだ反対側の面には、蛍光体層１０３、１０４が形成されている。この面を光出射面と呼び、ＬＥＤからの光はこの面から出射される。
【００２１】
ここで、青色ＬＥＤモジュール１０１の構造を、図２を使用して詳しく説明する。図２（ｃ）に概要図を示す。また、図２（ａ）にＬＥＤモジュール１０１の上面図（光の出射面を見た図）を示す。実際には、この面は、導光板１０２と光学的に結合されている。１０ｍｍ角のＬＥＤモジュール１０１は、１つのモジュールの基板（図示せず）上に０．３ｍｍ角のＬＥＤチップ２０１が１６個（＝４×４）個実装されている。個々のＬＥＤチップの周辺には、反射板２０２が設置され、ＬＥＤの放射光を効率的に導光板内に導入できるように、狭指向性を持って光放射するようになっている。
【００２２】
図２（ｂ）にＬＥＤモジュールの断面図を示す。ＬＥＤチップ２０１は、アルミニウム、銅、セラミックなどの熱伝導率の高い材料を主材とした基板２０３上に図示しないがバンプを介してフリップチップ実装されている。また、アルミニウム、銀などの反射率の高い材料を表面にコートしたもしくは材料とした反射板２０２が設置されている。ＬＥＤチップ２０１は、光劣化の少ない封止樹脂２０４（例えば、シリコーン樹脂）で封止されている。
【００２３】
加えて、０．３ｍｍ角程度のＬＥＤを使用した場合、実装基板面積あたり１０〜１００個／ｃｍ２程度の密度で実装されている。例えば、前記ＬＥＤ１個あたりの定格電力が、０．１Ｗとすれば、１〜１０Ｗ／ｃｍ２程度の電力密度となる。
【００２４】
また、例えば、１ｍｍ角程度のＬＥＤを使用した場合は、実装基板面積あたり１〜１０個／ｃｍ２程度の密度で実装されている。前記ＬＥＤ１個あたりの定格電力を１Ｗとすれば、１〜１０Ｗ／ｃｍ２程度の電力密度となる。
【００２５】
なお、本実施の形態の場合は、０．３ｍｍ角のＬＥＤチップを１６個／ｃｍ２の密度で実装している。
【００２６】
上記のように構成されたＬＥＤモジュール１０１の放熱構造について以下に詳しく説明する。青色ＬＥＤモジュール１０１の背面には、図１に示すようにヒートシンク３０１とファン３０２が設置されている。詳しい断面図を図３に示す。青色ＬＥＤモジュール１０１とヒートシンク３０１は、シリコングリースを用いて隙間なく接触するように設置され、効率的に青色ＬＥＤモジュール１０１からの熱をヒートシンクに伝えている。また、ヒートシンク３０１は、ファン３０２からの送風によって空気へ熱が逃げるように設置されている。ここで、ファンをほぼ隙間なく並べているのは、ファンの騒音を低減するためファン１個あたりの送風量つまり回転数を落として使用するためである。このように、多数のファンを低速回転させる構成による、ファン冷却時の騒音低下は非常に効果的である。
【００２７】
上記のように、非常に高密度にＬＥＤを実装している場合は、熱でのＬＥＤの発光効率低下を防止するため、必要に応じて冷却することが好ましい。このような構成によって、ＬＥＤの効率低下を招かずにＬＥＤ光源を動作させることが出来る。なお、ヒートシンクの溝は、使用時にヒートシンク内の熱い空気が循環しやすいように、略鉛直方向に形成されている。なお、ヒートシンク、およびファンは、ＬＥＤからの発熱量によって適宜使用すればよいのであって、必ず必要ではないことを明記しておく。
【００２８】
次に、導光板１０２の出射面に形成された蛍光体層１０３、１０４について詳しく説明する。導光板１０２内で集光された光は、蛍光体層が塗られていない部分からは青色、蛍光体層１０３からは緑色、蛍光体層１０４からは赤色の発光がそれぞれ得られる。導光板１０２上に形成される蛍光体層１０３、１０４は、数１０μｍ〜数ｍｍの統一されたピッチもしくは幅でライン状に導光板の端から端まで、くまなく周期的に形成されている。なお、本実施の形態の場合は、約１００μｍの同一幅で、蛍光体層の塗られていない部分、緑色に発光する蛍光体層１０３が塗られた部分、赤色に発光する蛍光体層１０４が塗られた部分が周期的（発光色がＢＧＲの順になるよう）に形成されている。なお、蛍光体層１０３と１０４間は約１０μｍである。このＢＧＲの発光部分を１周期として、例えば、１０２４周期分の発光部分が導光板１０２上に形成されている。図１（ｂ）に導光板表面に形成された蛍光体層の拡大図を示す。
【００２９】
ここで、蛍光体層１０３、１０４は、透光性の樹脂中に蛍光体を分散させたものであり、青色ＬＥＤの光で励起され、各色に発光するものである。また、蛍光体層からの出射光は、ＬＥＤからの青色光がほとんど蛍光体層を通り抜けず吸収され、ほぼ蛍光体の発光色だけとなるように蛍光体濃度と蛍光体層の厚みを調整してある。このように青色光が抜けないようにすることで、蛍光体層から発光する光の純度低下を抑制し、下記の液晶と組み合わせた場合に色再現性の高い画像を得ることが出来る。
【００３０】
ここで、緑色蛍光体層１０３は、例えばシリコーン樹脂中に、例えばＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２+（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋  や  Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋から選択される蛍光体を濃度２〜５０ｗｔ％で含んだもので、蛍光体層の厚さは１０〜１０００μｍである。
【００３１】
また、赤色蛍光体層１０４は、１０３と同様に樹脂中に、例えばＣａＳ：Ｅｕ２＋、ＣａＳｉＮ２：Ｅｕ２＋  や  Ｓｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋  や  （Ｓｒ，Ｃａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋から選択される蛍光体を濃度１〜５０％で含んだもので、蛍光体層の厚さは１０〜１０００μｍである。蛍光体の濃度および蛍光体層の厚さは、ＬＥＤからの光がほとんど透過しないように、ＬＥＤ出力および導光板の出射面からの光出力に応じて適宜調整されている。
【００３２】
図１に示す構成においてＬＥＤ光源は、一般照明用として使用できる。というのも、被照射物と光源である本実施のＬＥＤ光源までの距離は、数1０ｃｍ〜数ｍ程度であるのに対して各発光色の幅が１００μmと非常に短いため、被照射面ではＲＧＢが完全に混色され色ムラの抑制された放射となるので一般照明用として十分に使用できる。また、この場合、蛍光体種類、蛍光体層の蛍光体濃度、蛍光体層の厚みを調節することで任意の色温度、色度を持ったＬＥＤ光源を得ることができる。また、ＬＥＤの光出力が変化した場合においても、蛍光体層からの緑、赤の発光も減るので色変化が小さいといった特徴も有している。
【００３３】
なお、一般照明用に使用する場合は、混色後の光が目的の色度、色温度を満たしていれば蛍光体層から青色光が透過してもよい。
【００３４】
また加えて、液晶パネルと組み合わせた実施の形態について以下に説明する。図４は、図１のＬＥＤ光源に液晶を組み合わせた場合の液晶表示装置の、図１のＸ方向断面の一部を示すものである。図４において、導光板１０２表面の蛍光体層１０３、１０４でＧＲの各色に変換された光は、ＢＧＲの発光パタンを持つ発光となる。ここで、ＢＧＲの順に構成された液晶パネル４０１の各画素の位置と、導光板１０２表面の発光パタンとが合致するように設置することで、液晶パネル４０１の各画素へ直接各色を入射することが出来る。
【００３５】
このため、一般的な液晶パネルで必要であったカラーフィルタが不要となり、より簡単な構造となり、コスト低減が図れる。また、カラーフィルタの光吸収がないため、高効率でかつカラーフィルタ部分の発熱のない液晶表示装置を得ることが出来る。
【００３６】
ここで、液晶パネル４０１画素位置と蛍光体層１０３、１０４の位置が一致しているとは、液晶駆動用の各セルに配置された電極４０２の位置が蛍光体層１０３、１０４の位置と一致しているということである。
【００３７】
（実施の形態２）
次に、図５を使って本発明の第２の実施の形態におけるＬＥＤ光源および液晶表示装置を説明する。
【００３８】
図５に示すＬＥＤ光源は、図１のＬＥＤ光源と同じ構成で、ＬＥＤモジュール１０１のＬＥＤを紫外線ＬＥＤ５０１に変更した点と、図１での導光板１０２上にほぼ隙間無く蛍光体層５０２、５０３、５０４を設けた点が異なる。蛍光体層５０２、５０３、５０４は統一された幅もしくはピッチでライン上に周期的に形成されており、本実施の形態の場合は、約１００μｍの同一幅で、青色に発光する蛍光体層５０２、緑色に発光する蛍光体層５０３、赤色に発光する蛍光体層５０４が周期的に形成されている。また、各蛍光体層は約１０μｍの距離をもって設置されている。
【００３９】
ＬＥＤは、発光中心波長が３６５〜４００ｎｍのものであり、その他の基板、反射板などの構成は、実施の形態１に示すものと同様である。
【００４０】
次に、蛍光体層中に含まれている蛍光体について説明する。本実施の蛍光体は、ＬＥＤからの紫外線で励起され、各色に変換する蛍光体である。
【００４１】
青色蛍光体層５０２中に含まれる蛍光体は、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋や（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃ１２：Ｅｕ２＋から選択される蛍光体を濃度２〜５０ｗｔ％で含んだもので、蛍光体層の厚さは１０〜１０００μｍである。
【００４２】
また、緑色蛍光体層５０３中に含まれる蛍光体は、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋  や  （Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋  や  Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３+，Ｔｅ３＋  から選択される蛍光体を濃度２〜５０ｗｔ％で含んだもので、蛍光体層の厚さは１０〜１０００μｍである。
【００４３】
また、赤色蛍光体層５０３中に含まれる蛍光体は、ＣａＳｉＮ２：Ｅｕ２＋やＳｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋や（Ｓｒ，Ｃａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋やＬａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ２・ＧｅＯ２：Ｍｎ４＋から選択される蛍光体を濃度２〜５０ｗｔ％で含んだもので、蛍光体層の厚さは１０〜１０００μｍである。
【００４４】
以上のように構成されたＬＥＤ光源は、実施の形態１と同様に高効率な光源を得ることができる。
【００４５】
また、図には示さないが、実施の形態１の図４で示したように蛍光体層の位置と液晶の各画素（セル）位置と一致させることで、液晶の各画素へ直接各色を入射することが出来る。このため、液晶で必要であったカラーフィルタが不要となり、よりコストの低い簡単な構造でかつカラーフィルタでの光損失がない液晶表示装置を得ることが出来る。本実施の形態の場合、ＢＧＲが１０２４ラインあるため、液晶もラインを横断する方向に１０２４画素の解像度のものと組み合わせることが出来、高精細でかつ高効率、高輝度な液晶表示装置を得ることが出来る。なお、ライン方向の解像度は、液晶の解像度によって決定される。
【００４６】
なお、本実施の形態では、導光板材料としてアクリル樹脂、ＬＥＤ封止用の樹脂としてシリコーン樹脂の場合について説明したが、ソーダガラス、石英などでも同様の効果を有する。
【００４７】
特にＬＥＤモジュールとして紫外線ＬＥＤを使用したときは、樹脂劣化の点からソーダガラス、石英などを使用するほうが好ましい。
【００４８】
（実施の形態３）
次に、本発明の第３の実施の形態におけるＬＥＤ光源および液晶表示装置を説明する。図６（ａ）は、図１に示すＬＥＤ光源と同様の構成であり、導光板表面に形成された蛍光体層の形状のみが異なる。実施の形態１の図１（ｂ）に相当する部分である導光板上の蛍光体層の拡大図を図６に示す。緑色蛍光体ドット層６０１と赤色蛍光体ドット層６０２が１００×３００μｍの大きさで、厚さ１００μｍでドット状に形成されている。また、蛍光体層６０１と６０２のすき間は１０μｍである。このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、蛍光体層の大きさと液晶パネルの各色セルの大きさとを合致させることにより、各セルに対応して、蛍光体層が形成されていることになるので、隣の液晶セルへの発光モレが原理的に解消されるという新たな効果を有することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態の蛍光体層どうしは１０μｍの距離を持って離れている場合を示したが、蛍光体層どうしが隙間なく形成されていてもよい。ただし、隙間なく形成された場合は、蛍光体層界面で蛍光体樹脂が混ざる場合があり、各樹脂を固化した後に形成する必要があるなど、蛍光体樹脂を形成する工程が複雑になるため、蛍光体層間は５μｍ以上の隙間を形成することが好ましい。また、上記のように隣の液晶セルへの発光モレが原理的に解消されるので好ましい。この場合も蛍光体層間は５μｍ以上の隙間を形成することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によって、高効率なＬＥＤ光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源の概略図（ｂ）はＬＥＤ光源の一部拡大図
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態１におけるＬＥＤモジュール部分の上面図（ｂ）はＬＥＤモジュール部分の断面図（ｃ）はＬＥＤモジュール部分の概略図
【図３】本発明の実施の形態１におけるＬＥＤモジュール部分の冷却構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１における液晶表示装置の断面を示す図
【図５】本発明の実施の形態２におけるＬＥＤ光源の概略を示す図
【図６】本発明の実施の形態３におけるＬＥＤ光源の発光面の拡大図
【図７】従来の面状光源の断面を示す図
【符号の説明】
【００５２】
１０１    ＬＥＤモジュール
１０２    導光板
１０３    緑色蛍光体層
１０４    赤色蛍光体層
１０５    反射板
２０１    ＬＥＤチップ
２０２    反射板
２０３    基板
２０４    封止樹脂
３０１    ヒートシンク
３０２    ファン
４０１    液晶パネル
４０２    各セルに配置された液晶駆動用電極
４０３    共通の液晶駆動用電極
４０４    ガラス
４０５    液晶層
４０６    ガラス
５０１    ＬＥＤモジュール
５０２    青色蛍光体層
５０３    緑色蛍光体層
５０４    赤色蛍光体層
６０１    緑色発光ドット層
６０２    赤色発光ドット層
１    青色ＬＥＤ
２    導光板
３    蛍光体散乱層
４    反射層
５    光拡散板
６    散乱反射層
７    Ａｌベース
【図１】
2005353650.tif 000003
【図２】
2005353650.tif 000004
【図３】
2005353650.tif 000005
【図４】
2005353650.tif 000006
【図５】
2005353650.tif 000007
【図６】
2005353650.tif 000008
【図７】
2005353650.tif 000009